文章導讀

▲ 來(lái)源：《山東工業(yè)技術(shù)》  作者：成志明 張海鷹等

對于低濃度大風(fēng)量的VOCs處理,目前廣泛采用了UV光催化處理方法,影響UV光催化效率的主要因素包括光源、催化劑、溫濕度和停留時(shí)間等,解決UV光催化處理VOCs的關(guān)鍵技術(shù)相應地需要從光源的選擇,催化劑的優(yōu)化和設備的空間結構改善等入手,找到UV光催化處理VOCs的技術(shù)難點(diǎn)加以突破。對于凈化設備的制造也有自動(dòng)化程度低、檢測有缺失、評價(jià)不合理等問(wèn)題需要加以重視。

對于低濃度大風(fēng)量的VOCs處理，目前采用最多的技術(shù)是UV光催化，應用該技術(shù)處理廢氣的設備簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、運營(yíng)和維護成本低，因此它是中小企業(yè)廢氣處理的首選方法。東莞制造業(yè)發(fā)達，工業(yè)企業(yè)眾多，從東莞本地到珠三角乃至全國范圍內的制造企業(yè)對工業(yè)廢氣凈化器的需求很大。當前工業(yè)廢氣處理設備自動(dòng)化程度低，工業(yè)廢氣處理設備的廢氣處理監測也還有漏洞，效果評估都不太理想。為適應國際產(chǎn)業(yè)競爭需要，大力發(fā)展智能化的揮發(fā)性有機廢氣處理設備，采用新技術(shù)，是打破發(fā)達國家技術(shù)貿易壟斷，提升我國廢氣處理裝備和技術(shù)核心競爭力的重要基礎。為適應國際產(chǎn)業(yè)競爭需要，大力發(fā)展智能化的揮發(fā)性有機廢氣處理設備，采用新技術(shù)，是打破發(fā)達國家技術(shù)貿易壟斷，提升我國廢氣處理裝備和技術(shù)核心競爭力的重要保證。

1、UV光催化的技術(shù)特點(diǎn)

光解催化凈化設備主要由光解技術(shù)和催化氧化技術(shù)組合而成。催化氧化技術(shù)是在設備中添加納米級活性材料，在紫外光線(xiàn)的作用下，產(chǎn)生更為強烈的催化降解功能。由于作為催化劑的TiO2價(jià)格低廉，來(lái)源廣泛，對紫外光吸收率較高，抗光腐蝕性北學(xué)穩定性和催化活性高，且沒(méi)有毒性，對很多有機物有較強的吸附作用，因而成為各類(lèi)試驗研究中最常用的光催化劑。為了提高催化劑的活性和適應不同類(lèi)型的廢氣處理，也經(jīng)常添加一些貴金屬鉑、鈀、釕和過(guò)渡族元素的氧化物以及稀土元素的氧化物等作為催化劑。貴金屬催化劑有很高的氧化活性和易回收等優(yōu)點(diǎn)，但是存在資源稀少、價(jià)格昂貴和耐中毒性差等一些缺點(diǎn)，目前是世界各國采用的主要催化劑類(lèi)型。復合氧化物雖可改善某些光催化性能，但氧化活性仍不及貴金屬。大多數揮發(fā)性的有機化合物在這種紫外光能和納米活性催化氧化的共同作用下，能在2-3秒時(shí)間內被充分降解，光解催化氧化技術(shù)對揮發(fā)性有機廢氣污染物具有較高的去除效率，具有如下特點(diǎn)：

(1)廢氣凈化的徹底性：UV光觸媒是分解污染物而不是吸附污染物，發(fā)生的是質(zhì)變而不是量變，對污染物具有不可逆的分解;

(2)廢氣分解的廣泛性：UV光催化氧化幾乎對所有的細菌、病毒和有機污染物起到強效分解作用，特別是對人們不易感知的細菌和病毒進(jìn)行徹底分解;

(3)無(wú)二次污染：UV光催化氧化的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，對人體無(wú)害，不會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似消毒劑對環(huán)境產(chǎn)生的二次污染。

對于光催化的核心問(wèn)題催化劑性能，需要采取一些新的措施，比如制備大孔徑、大比表面積、高抗沖擊性能且不影響催化活性的催化劑載體，改進(jìn)廢氣凈化裝置的空間結構，拓展TiO2光催化劑薄膜的光照應用范圍，進(jìn)一步提高復合型催化劑性能，重點(diǎn)研制新型催化劑及如何防止催化劑的失活和中毒等。

光催化反應面臨的問(wèn)題主要有催化劑失活、反應動(dòng)力學(xué)常數較小、不可預測的反應機理等，同時(shí)濕度能抑制光催化速率，尤其是有機廢氣濃度較大時(shí)，這種影響更為明顯，因此限制了光催化技術(shù)在處理濕度較大的廢氣方面的應用。由于納米材料本身對有機物具有氧化作用，納米材料與粘結劑的耐光催化性、載體的催化活性包括失活后的再生問(wèn)題及膜的牢固性仍然是光催化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2、影響UV光催化處理效果的主要因素

通過(guò)一年多的設備改進(jìn)和實(shí)驗室試驗，我們主要從影響uV光催化治理VOCs效率的幾個(gè)主要因素uV波長(cháng)，起始溫度，初始濃度，相對濕度，停留時(shí)間，反應介質(zhì)等進(jìn)行研究，找到最佳反應效率和最低能耗。

(1)廢氣濃度的影響：UV光催化治理VOCs適合的應用范圍主要包括噴涂車(chē)間、印刷、電子、制藥、食品等行業(yè)產(chǎn)生的低濃度有機廢氣，對于20.200PPM以下的濃度效果較好，隨著(zhù)VOCs濃度增高，降解效率也會(huì )隨之降低。目前廣泛采用的是185nm和254nm兩個(gè)波段的真空紫外燈，這是由于真空紫外燈發(fā)射的紫外線(xiàn)能量強度有限，單位時(shí)間內光解能量不足，效率下降。所以單純的增加燈管的數量是無(wú)法解決高濃度有機氣體問(wèn)題，紫外光解技術(shù)不適合中高濃度VOCs氣體。

(2)相對濕度低的影響：對于一定的濕度條件下，氧氣吸收了大部分185nm紫外光，但是隨著(zhù)濕度的進(jìn)一步增加，一部分是水蒸氣與氧氣競爭吸收185nm波長(cháng)的紫外光，水蒸氣吸收了更多的185nm紫外光，同時(shí)產(chǎn)生更多羥基自由基。水蒸氣與活性氧反應生成羥基自由基，羥基自由基的氧化性要強于臭氧和活性氧，從而光解的速度明顯加快，促進(jìn)單位時(shí)間內對于廢氣去除率的增加，試驗證明相對濕度在30—65%這個(gè)范圍，光解效率是上升的，相對濕度超過(guò)70%后隨之逐漸下降。

(3)風(fēng)速和絕對濕度差的影響：大量實(shí)驗證明風(fēng)速越大，水蒸氣進(jìn)出口的絕對濕度差越小，這也就是說(shuō)風(fēng)速越大，羥基自由基產(chǎn)生量的絕對值也會(huì )越少。因此在風(fēng)速小的工況下，羥基自由基對揮發(fā)性有機物VOCs的貢獻大，風(fēng)速大的工況下，羥基自由基對有機物降解的作用就會(huì )變得十分有限。在設備測試中，風(fēng)速在低于2m/s的時(shí)候，反應效果好，大于6m/s的時(shí)候，水蒸氣進(jìn)出口的絕對濕度差非常小，光催化效率極低。在一定的設備空間內，風(fēng)速同時(shí)影響了停留時(shí)間，一般停留時(shí)間增加，廢氣的去除效率有明顯增高。原因是停留時(shí)間增加，185nm紫外光和有機物碰撞次數一定增加。當停留時(shí)間達到10s后，延長(cháng)停留時(shí)間，廢氣的降解效率增加并不明顯。所以在低濃度下，延長(cháng)停留時(shí)間并不能等效的增加廢氣去除效率。

(4)光源的選擇和影響：目前，一般選擇185rim和254nm兩個(gè)波段的真空紫外燈，市場(chǎng)上的uV燈管質(zhì)量良莠不齊，真空紫外設備進(jìn)口的風(fēng)速影響了紫外燈的燈管表面溫度，燈管表面溫度與紫外燈的發(fā)光效率有直接關(guān)系，燈表溫高于某一數值時(shí)會(huì )直接影響其發(fā)光效率。風(fēng)速增大，臭氧濃度降低，臭氧產(chǎn)生量沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明在3m/s時(shí)真空紫外已經(jīng)被空氣中氧氣充分吸收，增大空氣進(jìn)氣量，燈管自身產(chǎn)生的臭氧量沒(méi)有明顯增加。臭氧與甲苯在自然狀態(tài)下是不發(fā)生化學(xué)反應的。臭氧協(xié)同真空紫外光對很多有機廢氣是有降解效果的。254nm的紫外光可以促進(jìn)臭氧產(chǎn)生氧自由基，從而氧化廢氣分子，臭氧在真空紫外條件下與空氣中的水蒸氣可產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基可氧化甲苯等廢氣。

(5)合理的設備空間布局和結構：對于凈化設備的制造也有一些問(wèn)題要注意，目前UV光催化治理VOCs設備的自動(dòng)化程度低，基本還沒(méi)有自動(dòng)檢測和監控功能，所以對產(chǎn)品的整體效果不能夠進(jìn)行有效的效率評估。要合理的處理好催化劑的布置、數量，要準確處理好透光性和氣體的流速，要進(jìn)行合理的能量匹配和結構優(yōu)化，否則，很多設備的有效去除率是遠遠不夠的。

3、結論

針對影響UV光催化處理效果的主要因素，我們不能盲目夸大UV光催化處理的效果，它只是處理低濃度大風(fēng)有機廢氣比較簡(jiǎn)易低成本的方法，但是非終極手段，合理有效組合吸附技術(shù)、微生物等方法，也是一條好的途徑。在正確使用uV光催化的處理過(guò)程中，幾個(gè)主要因素都是設備制造商必須綜合考，另外在自動(dòng)化方面、如何智能檢測廢氣濃度的變化以適時(shí)調節工業(yè)廢氣凈化設備的運行工況，提高凈化效率，如何利用正交試驗等獲得工業(yè)廢氣處理的最佳組合方式，解決一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，如UV光解的催化劑實(shí)驗和U燈最佳效能分析、低溫等離子的電源選擇、微生物培育、微納米氣泡發(fā)生器研制等，研制出能被市場(chǎng)廣泛接受工業(yè)廢氣處理裝備和檢測方法。